克拉美麗氣田火山巖巖性測井識別技術(shù)研究

張兆輝,陳華勇,高艷玲,于紅果,杜社寬

(1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室,甘肅蘭州730000;2.中國科學(xué)院油氣資源研究重點實驗室,甘肅蘭州730000;3.中國石油天然氣集團公司西部鉆探工程有限公司測井公司,新疆克拉瑪依834000)

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克拉美麗氣田火山巖巖性測井識別技術(shù)研究

張兆輝1,2,陳華勇3,高艷玲3,于紅果3,杜社寬1,2

(1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室,甘肅蘭州730000;2.中國科學(xué)院油氣資源研究重點實驗室,甘肅蘭州730000;3.中國石油天然氣集團公司西部鉆探工程有限公司測井公司,新疆克拉瑪依834000)

準確、有效的巖性識別是火山巖油氣藏勘探評價的關(guān)鍵。以克拉美麗氣田石炭系火山巖為例,在薄片鑒定和巖心分析基礎(chǔ)上,應(yīng)用常規(guī)測井曲線建立巖性識別圖版,發(fā)現(xiàn)巖性之間存在嚴重交叉和重疊現(xiàn)象,影響巖性識別的準確性。為了修正直接圖版法的識別誤差,采用對應(yīng)分析法分析測井響應(yīng)與巖性的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)自然伽馬、補償中子、地層真電阻率曲線對巖性最為敏感,進一步計算出各曲線點到各巖性點的距離,并以距離的倒數(shù)作為權(quán)重系數(shù)對巖性識別圖版進行校正,最后采用最短歐氏距離歸屬法識別火山巖巖性。將識別結(jié)果與有薄片鑒定巖性的6口井累計2240m井段進行對比,巖性解釋符合率達89.2%,取得了良好的應(yīng)用效果。

火山巖;巖性識別;加權(quán)校正;最短歐氏距離法

準噶爾盆地火山巖地層分布廣泛,其中蘊藏著豐富的油氣資源。特別是2008年在陸東地區(qū)石炭系火山巖中發(fā)現(xiàn)了千億方級的克拉美麗氣田,為新疆油田公司的“增儲上產(chǎn)”發(fā)揮了重要作用。但克拉美麗氣田巖石類型復(fù)雜多樣、分布變化大,鉆探、試油資料證實巖性控制儲層物性和含油氣性。因此,巖性識別是開展克拉美麗氣田火山巖儲層評價的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

火山巖巖性識別方法主要有地震法、薄片鑒定法和測井識別法等。地震法適用于勘探初期大范圍火山巖體的初步圈定。薄片鑒定法最為準確,但成本高,且取心資料有限,因而不能普及應(yīng)用于生產(chǎn)。測井資料易于獲得、成本較低,而且具備縱向連續(xù)、橫向?qū)Ρ刃詮姷奶攸c,因此,測井識別法是用于火山巖巖性識別的主要技術(shù)。目前測井識別巖性的技術(shù)方法主要有常規(guī)測井交會技術(shù)、成像測井技術(shù)、元素俘獲譜測井技術(shù)和巖石強度參數(shù)識別技術(shù)等。為了深入應(yīng)用常規(guī)測井資料,引入了數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計方法,主要有主成分分析法、對應(yīng)分析法、聚類分析法、模糊數(shù)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和支持向量機法等[1-6],均取得了良好的應(yīng)用效果;但這些方法大多基于資料點的可區(qū)分性,對于響應(yīng)特征接近的資料點卻無能為力。

克拉美麗氣田從發(fā)現(xiàn)至今,人們對于巖性識別方法的探索從未停止,具有代表性的有:王洛等[7]采用波阻抗結(jié)合測井響應(yīng)和成像測井進行巖性體的預(yù)測;趙武生等[8]在構(gòu)造輔助曲線的基礎(chǔ)上,提出層次聚類分析的方法;楊英波等[9]利用地球化學(xué)元素測井(ECS測井)從巖石化學(xué)成分角度識別巖性;張勇等[10]提出了基于圖版的逐點判識識別流程。研究發(fā)現(xiàn),前人成果中的資料點都較少,直接應(yīng)用這些方法可能會引起誤判。鑒于此,本次研究充分利用大量薄片鑒定成果,確保圖版資料點的代表性;在傳統(tǒng)雙參數(shù)交會圖的基礎(chǔ)上,采用對應(yīng)分析技術(shù)分析測井響應(yīng)與巖性的相關(guān)性,并優(yōu)選出巖性敏感曲線;然后求得各敏感曲線的校正系數(shù),以解決傳統(tǒng)雙參數(shù)交會圖上巖性彼此交叉和重疊而帶來的識別誤差;最后采用距離最短歸屬判識法解釋巖性,取得良好應(yīng)用效果,具有一定借鑒意義。

1　研究區(qū)概況

克拉美麗氣田位于準噶爾盆地滴南凸起,東抵克拉美麗山前、西連石西凸起、南臨東道海子凹陷、北接滴水泉凹陷,自西向東分為3個井區(qū),分別為滴西17井區(qū)、滴西14井區(qū)、滴西18井區(qū)(圖1)。鉆井揭示石炭系自下而上分別發(fā)育有塔木崗組、滴水泉組、巴塔瑪依內(nèi)山組地層,其中巴塔瑪依內(nèi)山組地層主要由火山碎屑巖、熔巖、侵入巖以及少量沉積巖組成,是石炭系主要儲層,也是研究目的層位。

圖1　克拉美麗氣田位置及井區(qū)分布

研究區(qū)內(nèi)火山巖廣泛發(fā)育,且?guī)r性、巖相類型復(fù)雜多樣。從巖性類型看,薄片鑒定結(jié)果顯示發(fā)育多達25種巖性,既有溢流的火山熔巖,也有爆發(fā)的火山碎屑巖及侵入的次火山巖;從巖相類型看,主要發(fā)育火山通道相、溢流相、爆發(fā)相、侵入相及火山沉積相5種巖相類型。對于復(fù)雜火山巖巖性識別來說,難以利用有限的測井資料反演解釋出每種巖性。因此,必須先根據(jù)實際情況對巖石類型進行簡化、分類、合并,以達到準確解釋主要巖性的目的,避免因巖石分類過細而導(dǎo)致測井資料解釋能力不足。鑒于此,在前人研究的基礎(chǔ)上,本次研究綜合巖心資料和近年探明氣藏解剖情況,將研究區(qū)內(nèi)的火山巖劃分為玄武巖、安山巖、霏細斑巖、凝灰?guī)r、花崗斑巖、二長玢巖、流紋巖、霏細巖及火山角礫巖,儲層巖性以玄武巖、安山巖、花崗斑巖、二長玢巖、流紋巖為主。

2　巖性識別圖版的建立及校正

2.1巖性識別圖版的建立

測井曲線能夠連續(xù)、精細地反映巖石地球物理性質(zhì),不同巖性的測井響應(yīng)特征不同,這是采用測井資料識別巖性的物理基礎(chǔ)[11-12]。首先依據(jù)精細歸位后的680塊巖心薄片鑒定樣品,提取典型巖性段的5條常規(guī)測井曲線值,這5條測井曲線分別為:自然伽馬(GR)、補償中子(CNL)、密度測井(DEN)、聲波時差(AC)、地層真電阻率(RT)。分析認為,要劃分復(fù)雜的火山巖巖性,必須充分利用曲線包含的巖性信息。

利用典型巖性段提取的曲線值直接制作常規(guī)二維散點巖性識別圖版,結(jié)果如圖2所示。由圖2可見,巖性區(qū)分效果不好,識別圖版存在三大問題:①各巖性區(qū)域分布廣;②各巖性分界線模糊不清;③巖性重疊區(qū)域不僅多而且大。因此,必須采取適當?shù)臄?shù)據(jù)處理技術(shù)使得各巖性數(shù)據(jù)點集中、重疊區(qū)域分開,并拉大各巖性重心距離,以免在巖性識別過程中出現(xiàn)模棱兩可的現(xiàn)象,以提高識別精度,最終實現(xiàn)準確識別巖性的目的。

圖2　GR-AC(a),GR-DEN(b),GR-CNL(c)和GR-RT(d)識別圖版(1ft≈0.3048m)

2.2對應(yīng)分析法選擇敏感曲線

測井曲線是地層特征的綜合響應(yīng),其中巖石骨架包含多種巖石成分,而巖性的命名依主要巖石成分而定。直接采用典型巖性段曲線值制作的圖版不能很好地區(qū)分巖性(圖2),是因為選取的典型巖性段并非僅有一類巖石成分,使得測井曲線對單巖性的響應(yīng)差別不夠明顯,致使圖版上出現(xiàn)巖性區(qū)域重疊現(xiàn)象。為了在多巖石成分的測井曲線響應(yīng)中選擇出主要巖石成分的響應(yīng)特征,研究過程中選用對應(yīng)分析法,把曲線和巖性歸結(jié)為兩個綜合因子,也就是降維分析。

對應(yīng)分析法是在因子分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分析方法,把R型和Q型因子分析結(jié)合起來,將樣品和變量反映到同一因子平面,對樣品和變量進行統(tǒng)一的分析和研究[13]。其基本思想是將一個原始數(shù)據(jù)矩陣中行和列各因素的比例以點的形式表現(xiàn)出來,由高維空間的向量向低維空間投影,以少數(shù)幾個公共因子的綜合指標去描述研究對象在空間上的聯(lián)系,對變量和樣品的狀態(tài)進行分析,從而達到分析變量之間、樣品之間以及變量和樣品之間的相互關(guān)系[14]。對于火山巖巖性以及對應(yīng)的測井曲線應(yīng)用對應(yīng)分析,可以明晰測井曲線對巖性的敏感程度[15]。研究中將火山巖巖性作為樣品,將各典型巖性段對應(yīng)的曲線值看做變量。

使用各巖石類型及提取的典型巖性段樣本數(shù)據(jù)(GR,CNL,RT,DEN,AC)時,為了避免樣品載荷圖上資料點過多,取樣品點中相同巖性的各測井平均值并作歸一化處理,建立巖石類型與測井曲線間的對應(yīng)分析載荷圖(圖3)。

依據(jù)各巖性點(圖3中的藍圈點)分布情況,可以看出,各巖性點之間距離較大,沒有特別接近的點,也就是說,不同巖性距離較大易于區(qū)分。依據(jù)測井曲線點(圖3中的綠圈點)分布情況,可以看出,AC和DEN曲線點的位置很接近,且位于巖性點中間位置,可見二者的作用相當,且距各巖性點的距離相差不大,不能作為巖性敏感曲線;同時,發(fā)現(xiàn)GR,CNL,RT曲線的位置點構(gòu)成一個似三角形,說明這3條曲線區(qū)分巖性的能力強,可作為巖性敏感曲線,并剔除DEN,AC曲線。

另外,從圖3清晰可見,第一因子從負半軸到正半軸,巖性點分布呈現(xiàn)由基性到酸性的過渡,說明第一因子主要反映巖性變化;第二因子從負半軸到正半軸則主要反映了孔隙度降低、電阻率降低的趨勢,說明第二因子主要反映巖石孔隙結(jié)構(gòu)的變化。對應(yīng)分析載荷圖綜合反映巖石成分、結(jié)構(gòu)信息,在此基礎(chǔ)上進行的巖性識別結(jié)果更加可靠。

圖3　火山巖巖性-測井曲線對應(yīng)分析載荷圖

2.3距離權(quán)值校正巖性識別圖版

值得注意的是,圖3中測井曲線點與巖性點的距離代表該曲線對該巖性敏感程度,即距離越小,曲線對巖性越敏感[16]?；诖?計算出各巖性點到各測井曲線點的距離,并歸一化距離的倒數(shù),以此作為權(quán)重系數(shù)加權(quán)校正測井曲線值(表1),以期擴大各巖性測井值的差別。校正后的巖性識別圖版為圖4a,圖4b和圖4c,與圖2所示的圖版對比可見,校正后的各圖版基本消除了巖性區(qū)域重疊的現(xiàn)象,各巖性分界線也更加清晰,而且各巖性類重心之間距離較大,減少了識別過程中的模棱兩可現(xiàn)象,極大地提高了巖性識別準確率。應(yīng)該注意,這3個二維圖版之間為互補關(guān)系,未知點的曲線校正值要同時符合每個圖版,才能確定巖性。為了快速進行計算機自動識別,將這3個二維圖版綜合為1個三維圖版,如圖4d所示。從圖4d可以看出,各巖性分布區(qū)域較為集中且基本無重疊,很好地修正了直接圖版法的誤差。

表1　巖性對應(yīng)曲線加權(quán)校正系數(shù)

圖4　校正后的GR-CNL(a),GR-RT(b),RT-CNL(c)和GR-CNL-RT(d)識別圖版

3　巖性綜合識別

常規(guī)測井較多地反映了礦物成分,而難以反映巖石的構(gòu)造和結(jié)構(gòu),電成像測井彌補了常規(guī)測井的這個缺陷,能夠直觀、精細地顯示井壁巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。二者相結(jié)合可極大提高火山巖巖性識別準確率。

由于研究區(qū)內(nèi)火山角礫巖從基性到酸性均有分布,常規(guī)測井難以區(qū)分。因此首先利用電成像測井圖像特征識別出火山角礫巖層段,然后依據(jù)上述研究的常規(guī)測井識別技術(shù),采用最短歐氏距離法識別其它巖性。

3.1成像測井識別

電阻率成像測井中井壁上電阻率的變化反映巖石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造:角礫結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為亮色的斑點模式,亮斑大小不均、邊界清晰;而塊狀結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為顏色單一的均質(zhì)結(jié)構(gòu),夾雜裂縫、氣孔特征,沒有層理[17]?；鹕浇堑[巖典型特征就是角礫結(jié)構(gòu),因此應(yīng)用成像測井圖像可以達到極高的準確度。

3.2最短歐氏距離法識別

采用最短歐氏距離判識三維空間內(nèi)未知點的區(qū)域歸屬問題,該方法不限于區(qū)域范圍邊界,通過精確計算未知點到區(qū)域重心的距離,選擇出最短距離并將該點劃分為該所屬區(qū)域,方法操作簡單、快速、誤差小。

從上述校正后巖性識別圖版可以獲得巖性的各曲線平均值,以此作為巖性類中心,記為Li=(xi1,xi2,xi3),其中,Li表示第i種巖性的類中心向量,i=1,2,…,8;xi1表示第i種巖性的校正后GR值,xi2表示第i種巖性的校正后CNL值,xi3表示第i種巖性的校正后RT值。

對于某個未知點,其測井曲線值向量記為C=(C1,C2,C3),其中,C1為GR曲線,C2為CNL曲線,C3為RT曲線。首先根據(jù)巖性加權(quán)系數(shù)分類加權(quán)曲線值,得到:

(1)

式中:Yi表示未知點的第i種加權(quán)后曲線值向量,i=1,2,…,8;ki1表示第i種巖性第1條曲線(GR)的加權(quán)系數(shù);ki2表示第i種巖性第2條曲線(CNL)的加權(quán)系數(shù);ki3表示第i種巖性第3條曲線(RT)的加權(quán)系數(shù)。

然后根據(jù)歐氏距離公式計算出巖性加權(quán)點距離相應(yīng)巖性類中心的距離,并選擇出距離最短的巖性類作為該樣點的巖性,其數(shù)學(xué)表達式為:

(2)

式中:Di為加權(quán)點到第i個巖性類中心的歐氏距離。

4　應(yīng)用效果分析

為了檢驗方法的適用性,選擇研究區(qū)內(nèi)有薄片

鑒定資料的6口井累計2240m井段進行巖性解釋。圖5為A井巖性解釋成果,可見,測井解釋巖性比錄井巖性精細,而且與薄片鑒定巖性結(jié)果對應(yīng)良好。6口井的巖性解釋結(jié)果與其680塊薄片鑒定結(jié)果對比顯示,解釋符合率為89.2%。分析出現(xiàn)識別誤差的絕大多數(shù)來自于凝灰?guī)r,這是因為該區(qū)凝灰?guī)r從基性到中、酸性都有分布,但凝灰?guī)r的電阻率成像呈現(xiàn)典型的暗色斑點模式,借助成像測井資料,可以很好地校正常規(guī)測井識別圖版的誤識。

圖5　A井部分井段巖性解釋成果(1ft≈0.3048m)

5　結(jié)束語

利用對應(yīng)分析技術(shù)可以定量描述測井曲線和巖性相互關(guān)系,認為自然伽馬、補償中子、地層真電阻率曲線對巖性最為敏感。校正后的巖性識別圖版很好地解決了原圖版的巖性重疊區(qū)域大而多的不足,使得巖性區(qū)分更加清晰。在此基礎(chǔ)上,采用最短歐氏距離法極大提高巖性解釋符合率。

研究區(qū)內(nèi)火山角礫巖和凝灰?guī)r從基性到中、酸性均有分布,常規(guī)測井曲線響應(yīng)特征差異不大,但電阻率成像特征卻非常典型,因此若要詳細劃分火山角礫巖和凝灰?guī)r必須綜合常規(guī)測井和成像測井。若能將成像測井表現(xiàn)出的巖石結(jié)構(gòu)表征為曲線,則可以直接引入到常規(guī)測井識別圖版,使其包含“巖石成分”和“巖石結(jié)構(gòu)”信息,彌補當前巖性識別圖版的不足。

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(編輯：顧石慶)

Study on lithology identification of igneous rocks in Kelameili Gasfield by well logging

ZHANG Zhaohui1,2,CHEN Huayong3,GAO Yanling3,YU Hongguo3,DU Shekuan1,2

(1.KeyLaboratoryofPetroleumResources,GansuProvince,Lanzhou730000,China;2.KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China;3.WesternDrillingLoggingCompany,PetroChina,Karamay834000,China)

Effective lithology identification for igneous rocks is the key to the evaluation of igneous reservoirs.On the basis of core analysis and thin slice analysis,log responses of various igneous rocks was studied and a lithologic identification plate of igneous rocks in Kelameili Gasfield,Junggar Basin based on conventional well logs was established.It was found that there are many crossing and overlapping between the different lithologies on the plates,which affected the accuracy of lithology identification.Thus,in order to correct the error of direct plate approach,the relationship between log responses and lithologies of igneous rocks was analyzed by correspondence analysis.It was found that the GR,CNL and RD curves are the most sensitive for lithologies of igneous rocks.The distance between various logs points and lithologic points was then calculated respectively.Regard the reciprocal of distance as the weight coefficient,the lithologic identification plates were calibrated.Lastly,based on the calibrated plates,lithologies of igneous rocks were identified with the shortest Euclidean distance method.The identification results were compared with the thin slice analysis in 6 wells added up to 2240 meters well sections and the lithology interpretation coincidence rate is as high as 89.2%,which has achieved good application effect.

igneous rock,lithologic identification,weighted correction,the shortest Euclidean distance method

2015-11-02;改回日期：2016-02-10。

張兆輝(1982—),男,碩士,助理研究員,主要從事儲層預(yù)測及測井評價研究工作。

國家科技重大專項“準噶爾盆地深層火山巖儲集體形成演化與分布預(yù)測”(2011ZX05008-003-40)、中國科學(xué)院油氣資源研究重點實驗室開放基金“電成像測井資料處理新方法研究及應(yīng)用”(KFJJ2016-02)聯(lián)合資助。

P631

A

1000-1441(2016)05-0764-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.05.016

This research is financially supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX05008-003-40) and the Opening Fund from Key Laboratory of Petroleum Resources Research,Chinese Academy of Sciences (Grant No. KFJJ2016-02).